(57)【要約】【課題】複数軸に対して可動する可動部にも適用できるとともに可動範囲が広い可動部にも適用できる電力伝達装置を提供することを課題とする。【解決手段】給電側から受電側に電力を非接触で伝達する電力伝達装置１であって、第１コア１０と、第１コア１０と一部が結合する第２コア１１と、第１コイル１２とが給電側に備えられ、第１コア１０の対向面１０ｂと所定の間隔をあけて対向する対向面１３ａを有する第３コア１３と、第２コア１１の対向面１１ｂと所定の間隔をあけて対向する対向面１４ａを有し、第３コア１３と一部が結合する第４コア１４と、第２コイル１５とが受電側に備えられ、第１コイル１２に電力が供給された場合、第１コイル１２で発生した磁束が第１コア１０、第２コア１１、対向面１１ｂ，１４ａ間、第４コア１４、第３コア１３、対向面１３ａ，１０ｂ間を通る磁路を形成し、第１コイル１２と第２コイル１５とが電磁結合状態になることを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
給電側から受電側に電力を非接触で伝達する電力伝達装置であって、
給電側の第１コアと、
前記第１コアと一部が結合する給電側の第２コアと、
給電側の第１コイルと、
前記第１コアの対向面と所定の間隔をあけて対向する対向面を有する受電側の第３コアと、
前記第２コアの対向面と所定の間隔をあけて対向する対向面を有し、前記第３コアと一部が結合する受電側の第４コアと、
受電側の第２コイルとを備え、
前記第１コイルに電力が供給された場合、前記第１コイルで発生した磁束が前記第１コア、前記第２コア、前記第２コアと前記第４コアとの対向面間、前記第４コア、前記第３コア、前記第３コアと前記第１コアとの対向面間を通る磁路を形成し、前記第１コイルと前記第２コイルとが電磁結合状態になることを特徴とする電力伝達装置。
【請求項２】
前記電力伝達装置は、直交３軸の可動部に設けられ、
前記第１コアの対向面は、前記直交３軸の交点から第１半径を有する球面であり、
前記第２コアの対向面は、前記直交３軸の交点から第２半径を有する球面であり、
前記第３コアの対向面は、前記直交３軸の交点から前記第１半径より小さい第３半径を有する球面であり、
前記第４コアの対向面は、前記直交３軸の交点から前記第２半径より小さい第４半径を有する球面であり、
前記直交３軸のうちのいずれの軸に対して可動した場合でも、前記第１コアの対向面と前記第３コアの対向面とが対向する部分を有し、かつ、前記第２コアの対向面と前記第４コアの対向面とが対向する部分を有することを特徴とする請求項１に記載する電力伝達装置。
【請求項３】
前記電力伝達装置は、１軸の回転部に設けられ、
回転した場合でも、前記第１コアと前記第３コアとの対向面間は回転軸から任意の半径の円周上においては均一の間隔を有し、かつ、前記第２コアと前記第４コアとの対向面間は回転軸から任意の半径の円周上においては均一の間隔を有することを特徴とする請求項１に記載する電力伝達装置。
【請求項４】
前記電力伝達装置は、１軸の可倒部に設けられ、
可倒した場合でも、前記第１コアと前記第３コアとの対向面間は可倒方向に平行な任意の線上においては均一の間隔を有し、かつ、前記第２コアと前記第４コアとの対向面間は可倒方向に平行な任意の線上においては均一の間隔を有することを特徴とする請求項１に記載する電力伝達装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、給電側から受電側に電力を非接触で伝達する電力伝達装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力を伝達する場合、給電側と受電側とが接触して電力を伝達する場合と給電側と受電側とが非接触で電力を伝達する場合とがある。ロボットの関節等の給電側と受電側との間が可動する場合、ケーブルを用いない非接触による電力を伝達が利用される。というのは、ケーブルを用いた場合、関節等における可動によってケーブルの機械的負荷、屈曲、捩れ、擦れ等が発生し、断線の恐れがあるからである。
【０００３】
このような非接触で電力を伝達する装置としては、特許文献１に開示されている電力供給装置がある。この電力供給装置は、給電側及び受電側において一対の縦部材とこの縦部材を繋ぐ横部材とにより鉄心が構成され、この横部材にコイルが巻かれている。そして、この電力供給装置では、給電側のコイルに電流を流している時に給電側の縦部材の端部と受電側の縦部材の端部とが対向すると、受電側のコイルに電流が誘起され、給電側から受電側に非接触で電力が伝達される。
【０００４】
【特許文献１】
特開平６−１４０２５６号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記電力供給装置の場合、給電側の縦部材と受電側の縦部材との位置関係により電力の伝達が行われるので、電力を伝達する時の給電側と受電側との可動が制限される。例えば、１軸の回転部に適用された場合、給電側の縦部材と受電側の縦部材とが大きなずれを持たずに対向しなければならないので、１回転中の少ない角度範囲内でしか電力を伝達できない。また、１軸の回転部以外にもＸ軸やＹ軸周りの可倒部を有する場合、そのＸ軸やＹ軸周りの可倒に対して給電側の縦部材と受電側の縦部材と近接させて対向状態とすることはできないので、複数軸の可動部には適用できない。
【０００６】
そこで、本発明は、複数軸に対して可動する可動部にも適用できるとともに可動範囲が広い可動部にも適用できる電力伝達装置を提供することを課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る電力伝達装置は、給電側から受電側に電力を非接触で伝達する電力伝達装置であって、給電側の第１コアと、第１コアと一部が結合する給電側の第２コアと、給電側の第１コイルと、第１コアの対向面と所定の間隔をあけて対向する対向面を有する受電側の第３コアと、第２コアの対向面と所定の間隔をあけて対向する対向面を有し、第３コアと一部が結合する受電側の第４コアと、受電側の第２コイルとを備え、第１コイルに電力が供給された場合、第１コイルで発生した磁束が第１コア、第２コア、第２コアと第４コアとの対向面間、第４コア、第３コア、第３コアと第１コアとの対向面間を通る磁路を形成し、第１コイルと第２コイルとが電磁結合状態になることを特徴とする。
【０００８】
この電力伝達装置は、給電側には第１コアとそれに結合する第２コアとでコア部が構成されるとともにこのコア部に第１コイルが設けられ、受電側には第３コアとそれに結合する第４コアとでコア部が構成されるとともにこのコア部に第２コイルが設けられている。第１コアと第３コアとは、互いに対向する対向面を各々有している。また、第２コアと第４コアとは、互いに対向する対向面を各々有している。電力伝達装置では、第１コイルに電力が供給されると、第１コイルに磁束が発生する。すると、電力伝達装置では、その発生した磁束が第１コア、第２コア、第２コアと第４コアとの対向面間、第４コア、第３コア、第３コアと第１コアとの対向面を通るループ状の磁路を形成し、第２コイルに磁束が通過する。そのため、電力伝達装置では、第１コイルと第２コイルとが電磁結合状態になり、第２コイルには磁束の変化に応じた電流が流れ、第２コイルから電力を取り出すことができる。この電力伝達装置では、給電側と受電側との間で可動した場合でも、第１コアと第３コアとの間では対向面のいずれかの箇所で対向し、かつ、第２コアと第４コアとの間でも対向面のいずれかの箇所で対向するので、上記した磁路を形成でき、第２コイルから電力を取り出すことができる。そのため、この電力伝達装置では、複数軸に対して可動する可動部にも適用でき、可動範囲が広い可動部にも適用できる。ちなみに、電力伝達装置では、対向する面積を大きくしたりあるいは対向面間の間隔を狭くすることによって、電力の伝達効率を向上させることができる。第１コアの対向面と第３コアの対向面及び第２コアの対向面と第４コアの対向面とは、可動軸の数や方向及び各軸における可動範囲等を考慮して形成される。
【０００９】
なお、所定の間隔は、電力の伝達効率を向上させるためには狭いほうがよいが、給電側と受電側との間で可動した場合でも対向面間が全ての箇所で接触しない間隔でなければならない。
【００１０】
本発明の上記電力伝達装置は、直交３軸の可動部に設けられ、第１コアの対向面は、直交３軸の交点から第１半径を有する球面であり、第２コアの対向面は、直交３軸の交点から第２半径を有する球面であり、第３コアの対向面は、直交３軸の交点から第１半径より小さい第３半径を有する球面であり、第４コアの対向面は、直交３軸の交点から第２半径より小さい第４半径を有する球面であり、直交３軸のうちのいずれの軸に対して可動した場合でも、第１コアの対向面と第３コアの対向面とが対向する部分を有し、かつ、第２コアの対向面と第４コアの対向面とが対向する部分を有する構成にすると好適である。
【００１１】
この電力伝達装置では、第１コアと第３コア及び第２コアと第４コアとが互いに球面で対向し、その対向する各球面の直交３軸の交点を中心とした半径が異なっている。そのため、電力伝達装置は、給電側と受電側との間で直交３軸のいずれの軸に対して可動した場合でも、第１コアの対向面と第３コアの対向面及び第２コアの対向面と第４コアの対向面とは可動中に接触することはないので、直交３軸の全ての軸に対する可動に対応できる。また、電力伝達装置では、直交３軸のいずれの軸に対して可動した場合でも、第１コアの対向面と第３コアの対向面及び第２コアの対向面と第４コアの対向面とはいずれかの箇所で対向するので、上記した磁路を形成でき、第２コイルから電力を取り出すことができる。そのため、この電力伝達装置は、直交３軸に対して可動する可動部に適用でき、各軸に対する可動範囲も広く設定できる。
【００１２】
本発明の上記電力伝達装置は、１軸の回転部に設けられ、回転した場合でも、第１コアと第３コアとの対向面間は回転軸から任意の半径の円周上においては均一の間隔を有し、かつ、第２コアと第４コアとの対向面間は回転軸から任意の半径の円周上においては均一の間隔を有する構成にすると好適である。
【００１３】
この電力伝達装置では、給電部と受電部との間で回転軸周りに回転した場合でも、第１コアと第３コアとの対向面間及び第２コアと第４コアとの対向面間が回転軸を中心とした任意の円周上において均一の間隔を有しているので、第１コアの対向面と第３コアの対向面及び第２コアの対向面と第４コアの対向面とは回転中に接触することはない。また、電力伝達装置は、回転軸周りに回転した場合でも、第１コアの対向面と第３コアの対向面及び第２コアの対向面と第４コアの対向面とは常時対向するので、上記した磁路を形成でき、第２コイルから電力を取り出すことができる。そのため、この電力伝達装置では、１軸の回転部に適用でき、その回転範囲も全周の回転に適用できる。さらに、電力伝達装置では、対向面間が回転軸を中心とした同じ円周上において均一の間隔を有していればよいので、対向面の形状を回転軸から外周部にかけて波状にしたりあるいはのこぎり状にしたりすることによって対向面積を大きくすることができる。
【００１４】
本発明の上記電力伝達装置は、１軸の可倒部に設けられ、可倒した場合でも、第１コアと第３コアとの対向面間は可倒方向に平行な任意の線上においては均一の間隔を有し、かつ、第２コアと第４コアとの対向面間は可倒方向に平行な任意の線上においては均一の間隔を有する構成にすると好適である。
【００１５】
この電力伝達装置では、給電側と受電側との間で可倒した場合でも、第１コアと第３コアとの対向面間及び第２コアと第４コアとの対向面間が可倒方向に平行な任意の線上においては均一の間隔を有しているので、第１コアの対向面と第３コアの対向面及び第２コアの対向面と第４コアの対向面とは可倒中に接触することはない。また、電力伝達装置は、可倒した場合でも、第１コアの対向面と第３コアの対向面及び第２コアの対向面と第４コアの対向面とはいずれかの部分が対向するので、上記した磁路を形成でき、第２コイルから電力を取り出すことができる。そのため、この電力伝達装置は、１軸の可倒部に適用でき、広い可倒範囲も設定可能である。さらに、電力伝達装置では、対向面間が可倒方向に平行な線上において均一の間隔を有していればよいので、対向面の形状を可倒軸と平行な方向において波状にしたりあるいはのこぎり状にしたりすることによって対向面積を大きくすることができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る電力伝達装置の実施の形態を説明する。
【００１７】
本実施の形態では、本発明に係る電力伝達装置を、ロボットの関節において電力を伝達する電力伝達装置に適用する。本実施の形態に係る電力伝達装置は、給電部をロボットの固定側に構成し、受電部をロボットの可動側に構成する。本実施の形態は、関節の構成の違いにより４つの形態があり、第１の実施の形態では直交３軸の可動部をもつ関節に適用し、第２の実施の形態では１軸の回転部をもつ関節に適用し、第３の実施の形態では１軸の可倒部をもつ関節に適用し、第４の実施の形態では３つの関節に電力伝達装置をそれぞれ配設してディージチェーン接続した場合に適用する。
【００１８】
図１〜図３を参照して、第１の実施の形態に係る電力伝達装置１について説明する。図１は、第１の実施の形態に係る電力伝達装置の正断面図である。図２は、図１の電力伝達装置の平面図である。図３は、図１の電力伝達装置の分解図である。
【００１９】
電力伝達装置１は、ロボットの直交３軸の可動部の関節における固定側に給電部２を構成するとともに可動側に受電部３を構成し、給電部２から受電部３に非接触で電力を伝達する。直交３軸の可動部は、回転軸ＲＡ周りの回転及び２つの可倒軸ＸＡ，ＹＡ周りの可倒が可能である。回転軸ＲＡ周りの回転は、３６０°の回転が可能である。２つの可倒軸ＸＡ，ＹＡ周りの可倒は、可倒軸ＸＡと可倒軸ＹＡとで形成される平面における全方向への可倒が可能であり、最大可倒角度としては給電部２及び受電部３の形状により適宜設定可能である。
【００２０】
関節における固定側は、可動側の出力軸Ｏが可動する際の基準となる基体Ｂが配設されている。出力軸Ｏは、可動球Ｓに取り付けられている。基体Ｂの中央には、可動球Ｓを収納するために、可動球Ｓよりも若干径が大きい球面の穴Ｂａが設けられている。可動球Ｓは、穴Ｂａに収納され、全ての方向に対して回転自在に取り付けられている。可動球Ｓの中心が、直交３軸ＲＡ，ＸＡ，ＹＡの交点Ｐとなる。
【００２１】
給電部２は、第１コア１０、第２コア１１、第１コイル１２を備えており、これら部材が一体で固定側の基体Ｂに取り付けられている。給電部２は、その中心が交点Ｐ上になるように配置される。第１コア１０と第２コア１１とは、機能的には一体物でもよいが、組み付け上、分割構造としなければならないので、別体となっている（図３参照）。第１コイル１２も、第１コア１０及び第２コア１１に対して別体である。
【００２２】
第１コア１０は、フェライトやけい素鋼等の強磁性体材料からなる。第１コア１０は、板状で平面視して円形であり、中央に上下面を貫通する開口部１０ａが設けられている。開口部１０ａを形成する面は、第３コア１３の対向面１３ａと対向する対向面１０ｂとなっている。対向面１０ｂは、基体Ｂに近いほど広がりを有する球面である。この球面は、交点Ｐが中心であり、半径Ｒａを有する。また、第１コア１０には、開口部１０ａより外周側に上下面を貫通する電線用孔１０ｃが設けられている。
【００２３】
第２コア１１も、第１コア１０と同じ強磁性体材料からなる。第２コア１１は、第１コア１０よりも肉厚の板状であり、第１コア１０と同径の円形である。第２コア１１も、中央に上下面を貫通する第１コア１０よりも大きい開口部１１ａが設けられている。開口部１１ａを形成する面は、第４コア１４の対向面１４ａと対向する対向面１１ｂとなっている。対向面１１ｂは、基体Ｂに近いほど広がりを有する球面である。この球面は、交点Ｐが中心であり、半径Ｒａよりも長い半径Ｒｂを有する。
【００２４】
第１コイル１２は、円筒形状であり、第１コア１０の開口部１０ａの最小の径（第１コア１０における基体Ｂから遠い側の面の開口部１０ａの径）よりも長い内径を有する。第１コイル１２には、電力が供給される電線１２ａが接続されている。電線１２ａは、第１コア１０の電線用孔１０ｃを通って電源回路等（図示せず）に繋がっている。
【００２５】
給電部２では、第１コア１０における開口部１０ａの径が小さい側の面に、第２コア１１における開口部１１ａの径が大きい側の面が固着され、さらに、第１コイル１２が固着される。したがって、第１コイル１２は、開口部１１ａの内側に位置する。なお、第１コア１０、第２コア１１及び第１コイル１２は、その中心が一致するように配置される。
【００２６】
受電部３は、第３コア１３、第４コア１４、第２コイル１５を備えており、これら部材が一体で可動側の出力軸Ｏに取り付けられている。受電部３は、その中心が交点Ｐ上になるように配置される。第３コア１３と第４コア１４とは、機能的には一体物でもよいが、組み付け上、分割構造としなければならないので、別体となっている（図３参照）。第２コイル１５も、第３コア１３及び第４コア１４に対して別体である。
【００２７】
第３コア１３も、第１コア１０と同じ強磁性体材料からなる。第３コア１３は、球の一部とその球の中心部に円柱が付いた形状であり、中央に上下面を貫通する出力軸用孔１３ｂが設けられている。その球の面は、第１コア１０の対向面１０ｂと対向する対向面１３ａとなっている。この球面は、交点Ｐが中心であり、半径Ｒａより若干短い半径Ｒｃを有する。出力軸用孔１３ｂは、出力軸Ｏが嵌合する径を有する。
【００２８】
第４コア１４も、第１コア１０と同じ強磁性体材料からなる。第４コア１４は、球の一部からなる形状であり、中央に上下面を貫通する出力軸用孔１４ｂが設けられている。その球の面は、第２コア１１の対向面１１ｂと対向する対向面１４ａとなっている。この球面は、交点Ｐが中心であり、半径Ｒｂより若干短い半径Ｒｄを有する。出力軸用孔１４ｂは、出力軸Ｏが嵌合する径を有する。また、第４コア１４には、球面と底面を貫通する電線用孔１４ｃが設けられている。
【００２９】
第２コイル１５は、円筒形状であり、第３コア１３の円柱に嵌合する内径を有する。第２コイル１５には、伝達された電力を出力する電線１５ａが接続されている。電線１５ａは、第４コア１４の電線用孔１４ｃを通って負荷等（図示せず）に繋がっている。
【００３０】
受電部３では、第２コイル１５が第３コア１３の円柱に嵌め込まれた状態で固着されている。さらに、受電部３では、第３コア１３が出力軸Ｏに出力軸用孔１３ｂが嵌め込まれた状態で固着され、第４コア１４が出力軸Ｏに出力軸用孔１４ｂが嵌め込まれた状態で固着される。この際、第３コア１３の円柱の端面は、第４コア１４の底面に固着される。出力軸Ｏの可動球Ｓ側の端部にはスペーサ１６が嵌め込まれた状態で固着されており、第３コア１３の底面はスペーサ１６の端面に密着している。スペーサ１６は、出力軸Ｏが可倒した時に第３コア１３が基体Ｂに当たらないために設けられている。なお、第３コア１３、第４コア１４及び第２コイル１５は、その中心が一致している。
【００３１】
給電部２及び受電部３をロボットの関節に組み付ける場合、図３に示すように、第３コア１３、第１コア１０、第１コイル１２、第２コイル１５、第４コア１４、第２コア１１の順に組み付けられる。給電部２及び受電部３が組み付けられると、第３コア１３の対向面１３ａの先端部が第１コア１０の対向面１０ｂの先端部と対向し、第４コア１４の対向面１４ａの先端部が第２コア１１の対向面１１ｂの先端部と対向する。第１コア１０と第３コア１３及び第２コア１１と第４コア１４とは、電力の伝達効率を向上させるために、対向面１０ｂと対向面１３ａ、対向面１１ｂと対向面１４ａとの対向面積を大きく、間隔が狭くなるように構成されるとよい。というのは、対向面１０ｂ，１１ｂ，１３ａ，１４ａは磁束を送受する面であるが、対向面間１０ｂ，１３ａ及び対向面間１１ｂ，１４ａはエアギャップであるためにコア部分と比較して透磁率が低い。そこで、対向面積を大きくしたりあるいは間隔を狭めることによって、透磁率の低下を抑えて電力の伝達効率を上げるためである。ちなみに、対向面積を大きくするほどコア１０，１１，１３，１４が大型化するので、そのことも考慮して対向面積を設定する必要がある。
【００３２】
なお、第１コア１０及び第２コア１１の板厚並びに第３コア１３及び第４コア１４の厚さは、対向面１０ｂと対向面１３ａとが対向する面積及び対向面１１ｂと対向面１４ａとが対向する面積や出力軸Ｏの最大可倒角度に応じて決まり、対向面積や最大可倒角度を大きく設定するほど厚くする必要がある。つまり、対向面積や最大可倒角度を大きくすると、対向面１０ｂ及び対向面１１ｂ並びに第３コア１３及び第４コア１４の円弧の長さを長くする必要があり、そのためには、第１コア１０及び第２コア１１の板厚並びに第３コア１３及び第４コア１４の厚さを厚くする必要がある。半径Ｒａは、第１コア１０の板厚が厚くなるほど長くなる。半径Ｒｂは、第１コア１０及び第２コア１１の板厚が厚くなるほど長くなる。半径Ｒｃや半径Ｒｄは、電力の伝達効率を向上させるために、半径Ｒａや半径Ｒｂに近いほどよい。
【００３３】
電力伝達装置１における電力を伝達する際の動作について説明する。電線１２ａから正弦波や矩形波等の交流電圧又は断続的な電圧が第１コイル１２に印加される。すると、第１コイル１２では、磁束を発生する。第１コア１０と第２コア１１とは外周部で結合されており、第３コア１３と第４コア１４とは中心部で結合されている。さらに、第１コア１０と第３コア１３とは対向面１０ｂと対向面１３ａの一部が近接した状態で対向しており、第２コア１１と第４コア１４とは対向面１１ｂと対向面１４ａの一部が近接した状態で対向している。
【００３４】
そのため、発生した磁束が、第１コア１０、第２コア１１、対向面１１ｂと対向面１４ａとの間、第４コア１４、第３コア１３、対向面１３ａと対向面１０ｂとの間を流れ、ループ状の磁路を形成する。したがって、第１コイル１２で発生した磁束が第２コイル１５の内側を通過し、第１コイル１２と第２コイル１５とが電磁結合状態となる。そのため、第２コイル１５では、磁束の変化に応じた電流が発生し、その電流が電線１５ａから出力される。そして、この伝達された電力が、可動側の負荷等で消費される。なお、磁束の流れる向きは、第１コイル１３の励磁電流の向きに応じて変わる。
【００３５】
出力軸Ｏが回転のみしている場合、対向面１０ｂと対向面１３ａとの対向箇所及び対向面１１ｂと対向面１４ａとの対向箇所は変わることはなく、対向面積や磁路も変わらない。出力軸Ｏが可倒した場合、対向面１０ｂと対向面１３ａとの対向箇所及び対向面１１ｂと対向面１４ａとの対向箇所が変わり、可倒した側では対向面１０ｂと対向面１３ａとの対向面積及び対向面１１ｂと対向面１４ａとの対向面積が増加するが、その反対側では対向面積が減少し、可倒角度が大きいと対向しなくなることもある。この場合、対向面積の増減によって電力伝達装置１全体としての対向面積は変わることなく、可倒した側で大きな磁路が確保される。したがって、電力伝達装置１では、出力軸Ｏが可動した場合でも、磁路が常時確保され、第１コイル１２と第２コイル１５とが電磁結合状態となり、第２コイル１５から電流が出力される。
【００３６】
電力伝達装置１は、出力軸Ｏの３軸ＲＡ，ＸＡ，ＹＡのいずれの軸に対する可動／非可動に関係なく、対向面１０ｂと対向面１３ａとのいずれかの箇所及び対向面１１ｂと対向面１４ａとのいずれかの箇所で対向するので、給電部２から受電部３への非接触での電力の伝達が可能である。電力伝達装置１が設けられるロボットの関節では、回転軸ＲＡ周りに３６０°回転可能であり、可倒軸ＸＡ、ＹＡに対する可倒はコア１０〜１４の形状等を調整することにより所定の最大可倒角度まで可倒可能である。
【００３７】
また、電力伝達装置１は、非接触で電力を伝達するので、電力を伝達するためにケーブルを必要としない。そのため、電力伝達装置１では、関節が可動した場合でもケーブルに対する機械的負荷、屈曲、捩れ、擦れ等による接触不良や断線が発生することがないので、電力伝達の信頼性が高い。また、電力伝達装置１では、ケーブルによる可動範囲の制限を受けないので、関節の可動範囲を大きく設定することができる。
【００３８】
図４及び図５を参照して、第２の実施の形態に係る電力伝達装置２１について説明する。図４は、第２の実施の形態に係る電力伝達装置の正断面図である。図５は、第２の実施の形態に係る電力伝達装置において回転軸側から外周側にかけて対向面を波状にした場合の電力伝達部分の正断面図である。
【００３９】
電力伝達装置２１は、ロボットの１軸の回転部の関節における固定側に給電部２２を構成するとともに可動側に受電部２３を構成し、給電部２２から受電部２３に非接触で電力を伝達する。回転軸ＲＡ周りの回転は、３６０°の回転が可能である。なお、電力伝達装置２１は、基本的な構成については第１の実施の形態に係る電力伝達装置１と同様の構成であるが、関節における可倒がないために出力軸Ｏが傾いた場合のスペースを必要としないので、給電部２２及び受電部２３全体を固定側に寄せることができるとともに小型化できる。また、関節における固定側及び可動側も、基本的な構成については第１の実施の形態と同様であるが、回転軸ＲＡ周りの回転しか行わない構成である。
【００４０】
給電部２２は、第１コア３０、第２コア３１、第１コイル３２を備えており、これら部材が一体で固定側の基体Ｂに取り付けられている。給電部２２は、その中心が回転軸ＲＡ上になるように配置される。第１コア３０は、第１の実施の形態に係る第１コア１０より外径が小径であり、板厚も薄い。開口部３０ａに形成される球面の対向面３０ｂは、可動球Ｓの中心Ｐが中心であり、半径Ｒａを有する。第１コア３０には、電線用孔が設けられていない。第２コア３１は、第１の実施の形態に係る第２コア１１より外径が小径であり、板厚も薄い。第２コア３１の開口部３１ａは、第１コア３０に結合する一端部から中央にかけて円筒であり、その円筒の端部から他端部までが球面となっている。開口部３１ａに形成される球面の対向面３０ｂは、可動球Ｓの中心Ｐが中心であり、半径Ｒａよりも長い半径Ｒｂを有する。第２コア３１には、円筒の側面を貫通する電線用孔３１ｃが設けられている。第１コイル３２は、第１の実施の形態に係る第１コイル１２より小径である。第１コイル３２に接続される電線３２ａは、第２コア３１の電線用孔３１ｃを通って電源回路等に繋がっている。
【００４１】
受電部２３は、第３コア３３、第４コア３４、第２コイル３５を備えており、これら部材が一体で可動側の出力軸Ｏに取り付けられている。受電部２３は、その中心が回転軸ＲＡ上になるように配置される。第３コア３３は、第１の実施の形態に係る第３コア１３より小径であり、厚さも薄い。第３コア３３の球面の対向面３３ａは、可動球Ｓの中心Ｐが中心であり、半径Ｒａより若干短い半径Ｒｃを有する。第４コア３４は、第１の実施の形態に係る第４コア１４より小径であり、厚さも薄い。第４コア３４の球面の対向面３４ａは、可動球Ｓの中心Ｐが中心であり、半径Ｒｂより若干短い半径Ｒｄを有する。第２コイル３５は、第１の実施の形態に係る第１コイル１５より小径である。第２コイル３５に接続される電線３５ａは、第４コア３４の電線用孔３４ｃを通って負荷等に繋がっている。
【００４２】
電力伝達装置２１の動作は、第１の実施の形態に係る電力伝達装置１の動作と同様の動作であり、電線３２ａから第１コイル３２に電力が供給されると、第１コイル３２で発生した磁束が第１コア３０、第２コア３１、対向面３１ｂと対向面３４ａとの間、第４コア３４、第３コア３３、対向面３３ａと対向面３０ｂとの間でループ状の磁路を形成し、第２コイル３５に接続する電線３５ａから電力を出力する。電力伝達装置２１では、出力軸Ｏが回転した場合でも、対向面３０ｂと対向面３３ａとの対向箇所及び対向面３１ｂと対向面３４ａとの対向箇所は変わることはなく、対向面積や磁路も変わらない。
【００４３】
電力伝達装置２１では、出力軸Ｏが回転／非回転時にのみ電力伝達ができればよいので、回転軸ＲＡから任意の半径の円周上において対向面３０ｂと対向面３３ａとの間及び対向面３１ｂと対向面３４ａとの間が均一な間隔であればよい。つまり、出力軸Ｏが回転した場合でも、対向面３０ｂと対向面３３ａとの間及び対向面３１ｂと対向面３４ａとの間のいずれの円周上においても一定の間隔を有していれば、対向面３０ｂと対向面３３ａ及び対向面３１ｂと対向面３４ａが接触することはない。したがって、電力伝達装置２１では、対向面間が回転中でも所定の間隔を有していれば、必ずしも、対向面３０ｂ，３１ｂ，３３ａ，３４ａのように球面にする必要はない。
【００４４】
そこで、電力伝達装置２１では、対向面の形状を変えて対向面積を増加し、電力の伝達効率を向上させることができる。例えば、図５に示すように、第３コア３３の対向面３３ｄ及び第４コア３４の対向面３４ｄを回転軸ＲＡ側から外周側にかけて波状に形成し、その波状の形状に沿うように第１コア３０の対向面３０ｄ及び第２コア３１の対向面３１ｄを波状に形成する。このように対向面３０ｄ，３１ｄ，３３ｄ，３４ｄを形成した場合、出力軸Ｏが回転しても対向面３０ｄと対向面３３ｄとの間及び対向面３１ｄと対向面３４ｄとの間が一定の間隔に保たれ、対向面積が増加する。
【００４５】
電力伝達装置２１では、出力軸Ｏの回転軸ＲＡに対する回転／非回転に関係なく、対向面３０ｂ（３０ｄ）と対向面３３ａ（３３ｄ）及び対向面３１ｂ（３１ｄ）と対向面３４ａ（３４ｄ）とが磁路が変化することなく対向するので、給電部２２から受電部２３への非接触での電力の伝達が可能である。また、電力伝達装置２１では、コア３０，３１，３３，３４を小型化できるとともにスペーサも必要としないので、給電部２２及び受電部２３全体を小型化できるとともに固定側寄りに配置でき、省スペースに設けることができる。さらに、電力伝達装置２１では、第１の実施の形態に係る電力伝達装置１と同様に電力伝達にケーブルを必要としないので、電力伝達の信頼性が高く、回転範囲も制限されない。
【００４６】
図６〜図８を参照して、第３の実施の形態に係る電力伝達装置４１について説明する。図６は、第３の実施の形態に係る電力伝達装置の正断面図である。図７は、図６の電力伝達装置の平面図である。図８は、第３の実施の形態に係る電力伝達装置におけるコアの可倒方向とは直交する方向において対向面を波状にした場合の第１コア（第２コア）と第３コア（第４コア）の対向部分の側断面図である。
【００４７】
電力伝達装置４１は、ロボットの１軸の可倒部の関節における固定側に給電部４２を構成するとともに可動側に受電部４３を構成し、給電部４２から受電部４３に非接触で電力を伝達する。可倒軸ＹＡ周りの可倒は、最大可倒角度としては給電部４２及び受電部４３の形状により適宜設定可能である。なお、電力伝達装置４１は、基本的な構成については第１の実施の形態に係る電力伝達装置１と同様の構成であるが、関節における一方向のみの可倒に対応できればよいので、出力軸Ｏが回転や他の方向に可倒した場合のスペースを必要とせず、給電部４２及び受電部４３を小型化できる。また、関節における可動側は、出力軸Ｏが円盤Ｄに取り付けられ、円盤Ｄが基体Ｂの穴Ｂａに可倒方向に対して回転自在に取り付けられる。
【００４８】
給電部４２は、第１コア５０，５０、第２コア５１，５１、第１コイル５２を備えており、これら部材が一体で固定側の基体Ｂに取り付けられている。給電部４２は、可倒軸ＹＡに対して左右対称になるように配置される。
【００４９】
第１コア５０，５０は、板状で平面視して長方形であり、給電部４２の長手方向の両端に各々配置される。第１コア５０の可倒軸ＹＡ側の側面は、第３コア５３の対向面５３ａと対向する対向面５０ｂとなっている。対向面５０ｂは、基体Ｂに近いほど広がりを有する球面である。この球面は、円盤Ｄの中心Ｐが中心であり、半径Ｒａを有する。一方の第１コア５０には、上下面を貫通する電線用孔５０ｃが設けられている。なお、第１コア５０の可倒方向の長さは、出力軸Ｏが非可倒時に、対向面５０ｂの先端部が対向面５３ａの外周部に十分に対向できる長さである。
【００５０】
第２コア５１，５１は、第１コア５０よりも肉厚の板状で平面視して長方形であり、給電部４２の長手方向の両端に各々配置される。第２コア５１の可倒軸ＹＡ側の側面は、第４コア５４の対向面５４ａと対向する対向面５１ｂとなっている。対向面５１ｂは、基体Ｂに近いほど広がりを有する球面である。この球面は、円盤Ｄの中心Ｐが中心であり、半径Ｒａよりも長い半径Ｒｂを有する。なお、第２コア５１の可倒方向の長さは、出力軸Ｏが非可倒時に、対向面５１ｂの先端部が対向面５４ａの外周部に十分に対向できる長さである。
【００５１】
第１コイル５２は、筒状で平面視して長方形である。その長方形の長手方向（可倒方向）の内径は、第１コア５０，５０が両側に配置された場合の基体Ｂから遠い側の対向面５０ｂ，５０ｂ間よりも長い長さである。第１コイル５２には、電力が供給される電線５２ａが接続され、一方の第１コア５０の電線用孔５０ｃを通って電源回路等に繋がっている。
【００５２】
給電部４２では、第１コア５０，５０の広い側の面に、第２コア５１，５１の狭い側の面が最外端を合わせて各々固着され、さらに、第１コイル５２が中央に固着される。したがって、第１コイル５２は、対向面５１ｂ，５１ｂ間に位置する。なお、第１コア５０，５０、第２コア５１，５１及び第１コイル５２は、可倒軸ＹＡに対して対称に配置される。
【００５３】
受電部４３は、第３コア５３、第４コア５４、第２コイル５５を備えており、これら部材が一体で可動側の出力軸Ｏに取り付けられている。受電部４３は、可倒軸ＹＡに対して左右対称になるように配置される。
【００５４】
第３コア５３は、一面が円弧面の板形状となっており、その円弧面の中心部に円柱が付いた形状である。その円弧面は、第１コア５０の対向面５０ｂと対向する対向面５３ａとなっている。この円弧面は、可倒軸ＹＡが中心であり、半径Ｒａより若干短い半径Ｒｃを有する。第３コア５３の中央には、上下面を貫通する出力軸用孔５３ｂが設けられている。出力軸用孔５３ｂは、出力軸Ｏが嵌合する径を有する。
【００５５】
第４コア５４は、一面で円弧面の板形状である。その円弧面は、第２コア５１の対向面５１ｂと対向する対向面５４ａとなっている。この円弧面は、可倒軸ＹＡが中心であり、半径Ｒｂより若干短い半径Ｒｄを有する。第４コア５４の中央には、上下面を貫通する出力軸用孔５４ｂが設けられている。出力軸用孔５４ｂは、出力軸Ｏが嵌合する径を有する。
【００５６】
第２コイル５５は、円筒形状であり、第３コア５３の円柱に嵌合する内径を有する。第２コイル５５には、電線５５ａが接続され、第４コア５４の電線用孔５４ｃを通って負荷等に繋がっている。
【００５７】
受電部４３では、第２コイル５５が第３コア５３の円柱に嵌め込まれた状態で固着され、第３コア５３及び第４コア５４が出力軸Ｏに出力軸用孔５３ｂ及び出力軸用孔５４ｂが嵌め込まれた状態で固着される。この際、第３コア５３の円柱の端面は、第４コア５４の底面に固着される。出力軸Ｏの円盤Ｄ側の端部にはスペーサ５６が嵌め込まれた状態で固着されており、第３コア５３の底面はスペーサ５６の端面に密着している。
【００５８】
電力伝達装置４１の動作は、第１の実施の形態に係る電力伝達装置１の動作と同様の動作であり、電線５２ａから第１コイル５２に電力が供給されると、第１コイル５２で発生した磁束が第１コア５０、第２コア５１、対向面５１ｂと対向面５４ａとの間、第４コア５４、第３コア５３、対向面５３ａと対向面５０ｂとの間でループ状の磁路を形成し、第２コイル５５に接続する電線５５ａから電力を出力する。電力伝達装置４１では、出力軸Ｏが可倒した場合、電力伝達装置１と同様に、対向面５０ｂと対向面５３ａとの対向箇所及び対向面５１ｂと対向面５４ａとの対向箇所が変わり、可倒した側では対向面積が増加するとともにその反対側では対向面積が減少するが、対向面積の増減によって電力伝達装置４１全体としての対向面積は変わることはなく、可倒した側で大きな磁路が確保される。ちなみに、可倒角度が大きい場合には、可倒した側の反対側では全く対向しなくなることもあるが、可倒側した側で磁路が確保されているので、電力の伝達は可能である。
【００５９】
電力伝達装置４１では、出力軸Ｏが一方向の可倒／非可倒時にのみ電力伝達ができればよいので、可倒方向と平行な任意の線上において対向面５０ｂと対向面５３ａとの間及び対向面５１ｂと対向面５４ａとの間が均一な間隔であればよい。つまり、出力軸Ｏが可倒した場合でも、対向面５０ｂと対向面５３ａとの間及び対向面５１ｂと対向面５４ａとの間の可倒方向と平行ないずれの線上においても一定の間隔を有していれば、対向面５０ｂと対向面５３ａ及び対向面５１ｂと対向面５４ａが接触することはない。したがって、電力伝達装置４１では、対向面間が可倒中でも所定の間隔を有していれば、必ずしも、対向面５０ｂ，５１ｂ，５３ａ，５４ａのように円弧面にする必要がない。
【００６０】
そこで、電力伝達装置４１では、対向面の形状を変えて対向面積を増加し、電力の伝達効率を向上させることができる。例えば、図８に示すように、第３コア５３の対向面５３ｄ及び第４コア５４の対向面５４ｄを可倒方向と直交する方向で波状に形成し、その波状の形状に沿うように第１コア５０の対向面５０ｄ及び第２コア５１の対向面５１ｄを波状に形成する。このように対向面５０ｄ，５１ｄ，５３ｄ，５４ｄを形成した場合、出力軸Ｏが可倒しても対向面５０ｄと対向面５３ｄとの間及び対向面５１ｄと対向面５４ｄとの間が一定の間隔に保たれ、しかも、対向面積が増加する。
【００６１】
電力伝達装置４１では、出力軸Ｏの可倒軸ＹＡに対する可倒／非可倒に関係なく、対向面５０ｂ，５０ｂ（５０ｄ，５０ｄ）と対向面５３ａ（５３ｄ）のいずれかの箇所及び対向面５１ｂ，５１ｂ（５１ｄ，５１ｄ）と対向面５４ａ（５４ｄ）とのいずれかの箇所で対向するので、給電部４２から受電部４３への非接触での電力の伝達が可能である。また、電力伝達装置４１では、コア５０，５１，５３，５４の可倒方向と直交する方向を短くできるので、給電部４２及び受電部４３を小型化でき、省スペースに設けることができる。さらに、電力伝達装置４１では、第１の実施の形態に係る電力伝達装置１と同様に電力伝達にケーブルを必要としないので、電力伝達の信頼性が高く、ケーブルによって可倒範囲が制限されない。
【００６２】
図９及び図１０を参照して、第４の実施の形態に係る３つの電力伝達装置６１，７１，８１をディージチェーン接続した場合について説明する。図９は、第４の実施の形態に係る電力伝達装置をディージチェーン接続した場合の構成図である。図１０は、図９の電力伝達装置のディージチェーン接続における受電部分の回路図である。
【００６３】
３つの電力伝達装置６１，７１，８１は、ロボットの３つの関節に各々も設けられる。電力伝達装置６１は、直交３軸の可動部を持つ第１関節における固定側に給電部が構成され、可動側に受電部が構成される。電力伝達装置７１は、直交３軸の可動部を持つ第２関節における固定側に給電部が構成され、可動側に受電部が構成される。電力伝達装置８１は、１軸の可動部（回転又は可倒）を持つ第３関節における固定側に給電部が構成され、可動側に受電部が構成される。ちなみに、第１関節の出力軸Ｏの先端は第２関節の固定側（基体Ｂ）に取り付けられ、第２関節の出力軸Ｏの先端は第３関節の固定側（基体Ｂ）に取り付けられている。
【００６４】
電力伝達装置６１では、給電部にＡＣ電源９０から位相補償回路９１を介して交流電力が供給され、受電部からセンタタップ９２によって負荷Ｌ及び電力伝達装置７１に電力を各々供給する。電力伝達装置７１では、給電部に電力伝達装置６１から位相補償回路９３を介して交流電力が供給され、受電部からセンタタップ９４によって負荷Ｌ及び電力伝達装置８１に電力を各々供給する。電力伝達装置８１では、給電部に電力伝達装置７１から位相補償回路９５を介して交流電力が供給され、受電部からセンタタップ９６によって負荷Ｌ及びさらに下流側に位相補償回路９７を介して電力を供給する。センタタップ９２，９４，９６では、２次側コイルの中間出力（低電圧）によって負荷Ｌで必要となる電圧が取り出され、２次側コイルの両端出力（高電圧）によって下流側の関節に給電するための電圧が取り出される。位相補償回路９１，９３，９５，９７では、電力伝達装置６１，７１，８１のコイルを通る際の位相の遅延を補償する。このように、センタタップ９２，９４，９６及び位相補償回路９１，９３，９５，９７を利用して、電力伝達装置６１，７１，８１をディージチェーン接続する。
【００６５】
センタタップ９２（９４，９６）と負荷Ｌとの間には、整流回路９８とＤＣ／ＤＣコンバータ９９が配される。整流回路９８では、ダイオードブリッジ回路９８ａ等を含み、センタタップ９２（９４，９６）の中間出力を整流する。ＤＣ／ＤＣコンバータ９９では、スイッチング回路９９ａ、整流回路９９ｂ、平滑回路９９ｃ、スイッチング回路９９ａのスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御回路９９ｄ等を含み、整流された直流電圧を負荷Ｌで必要とされる直流電圧に降圧する。
【００６６】
このように、センタタップ９２，９４，９６の高電圧の両端出力に位相補償を施して下流側の関節に給電する構成とすることによって、複数の電力伝達装置６１，７１，８１を各関節においてディージチェーン接続することが可能である。また、センタタップ９２，９４，９６で電圧変換してできるだけ高電圧で伝送することにより、電力伝達装置６１，７１，８１のコイルに流れる電流のロスを低減することができる。
【００６７】
以上、本発明に係る実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく様々な形態で実施される。
【００６８】
例えば、本実施の形態では電力伝達装置をロボットの関節に適用したが、ロボットの関節以外にも非接触で電力を伝達する様々な箇所に適用可能である。また、３つの構成の関節に適用したが、直交２軸による２方向の可倒の関節や直交２軸による回転と１方向の可倒の関節等の他の構成の関節にも適用可能である。また、本実施の形態では可動球や円盤で構成された関節に適用したが、ベアリング等で構成された様々な関節に適用可能である。また、固定側に給電部を構成し、可動側に受電部を構成したが、その逆の構成でもよいし、給電部、受電部が両方とも可動側になる場合もある。
【００６９】
また、第２の実施の形態及び第３の実施の形態では対向面積を増加させるために対向面を波状としたが、のこぎり状等の他の形状としてもよい。
【００７０】
【発明の効果】
本発明に係る電力伝達装置は、複数軸に対して可動する可動部にも適用でき、可動範囲が広い可動部にも適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る電力伝達装置の正断面図である。
【図２】図１の電力伝達装置の平面図である。
【図３】図１の電力伝達装置の分解図である。
【図４】第２の実施の形態に係る電力伝達装置の正断面図である。
【図５】第２の実施の形態に係る電力伝達装置において回転軸側から外周側にかけて対向面を波状にした場合の電力伝達部分の正断面図である。
【図６】第３の実施の形態に係る電力伝達装置の正断面図である。
【図７】図６の電力伝達装置の平面図である。
【図８】第３の実施の形態に係る電力伝達装置におけるコアの可倒方向とは直交する方向において対向面を波状にした場合の第１コア（第２コア）と第３コア（第４コア）の対向部分の側断面図である。
【図９】第４の実施の形態に係る電力伝達装置をディージチェーン接続した場合の構成図である。
【図１０】図９の電力伝達装置のディージチェーン接続における受電部分の回路図である。
【符号の説明】
１，２１，４１，６１，７１，８１…電力伝達装置、２，２２，４２…給電部、３，２３，４３…受電部、１０，３０，５０…第１コア、１０ａ，３０ａ…開口部、１０ｂ，３０ｂ，３０ｄ，５０ｂ，５０ｄ…対向面、１０ｃ，５０ｃ…電線用孔、１１，３１，５１…第２コア、１１ａ，３１ａ…開口部、１１ｂ，３１ｂ，３１ｄ，５１ｂ，５１ｄ…対向面、３１ｃ…電線用孔、１２，３２，５２…第１コイル、１２ａ，３２ａ，５１ａ…電線、１３，３３，５３…第３コア、１３ａ，３３ａ，３３ｄ，５３ａ，５３ｄ…対向面、１３ｂ，５１ｂ…出力軸用孔、１４，３４，５４…第４コア、１４ａ，３４ａ，３４ｄ，５４ａ，５４ｄ…対向面、１４ｂ，５４ｂ…出力軸用孔、１４ｃ，３４ｃ，５４ｃ…電線用孔、１５，３５，５５…第２コイル、１５ａ，３５ａ，５５ａ…電線、１６，５６…スペーサ、９０…ＡＣ電源、９１，９３，９５，９７…位相補償回路、９２，９４，９６…センタタップ、９８…整流回路、９８ａ…ダイオードブリッジ回路、９９…ＤＣ／ＤＣコンバータ、９９ａ…スイッチング回路、９９ｂ…整流回路、９９ｃ…平滑回路、９９ｄ…制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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